Sistem EFI

Engine Management System (EFI dalam Toyota, PGMFI dalam Honda, EPI dalam Mazda, EGI dalam Suzuki) konsep secara umum

Salah satu komponen yang termasuk dalam perawatan dan perbaikan adalah tune up yang berfungsi untuk mengembalikan performa mesin pada keadaan semula. Jika kita membahas masalah tune up, maka akan erat kaitannya mengenai sistem manajemen di mesin itu sendiri. Berikut akan dibahas mengenai EMS (Engine Manajemen Sistem)

1.        Garis Besar Engine Manajemen Sistem

Pada EFI, bensin diinjeksikan ke dalam mesin menggunakan injektor dengan waktu penginjeksian (injection duration and frequency) yang dikontrol secara elektronik. Injeksi bensin disesuaikan dengan jumlah udara yang masuk, sehingga campuran ideal antara bensin dan udara akan terpenuhi sesuai dengan kondisi beban dan putaran mesin. Generasi terbaru EFI dikenal dangan sebutan Engine Management System (EMS), yang mengontrol sistem bahan bakar sekaligus juga mengatur sistem pengapian (duration, timing, and frequency of ignition).

EMS system (engine management system) mengatur secara luas agar operasional mesin bisa tetap bekerja secara optimal setiap saat melalui pengaturan elemen mesin seperti sensor, actuator, controller, dst.

EMS system (engine management system) mengatur secara luas agar operasional mesin bisa tetap bekerja secara optimal setiap saat melalui pengaturan elemen mesin seperti sensor,actuator dan controller. Sistem pengaturan mesin melibatkan pengaturan bahan bakar, air intake dan juga waktu pengapian, agar diperoleh momen dan tenaga sesuai spesifikasi. Pengemudi dapat mengatur bukaan throttle valve secara manual dengan sistem koneksi mekanis, yang kemudian mengatur rasio udara/bahan bakar ke dalam mesin, selanjutnya campuran udara/bahan bakar yang masuk itu akan menentukan tenaga dan momen yang dihasilkah oleh mesin. Pengaturan momen mesin biasanya menggunakan sistem kontrol secara mekanis dan tekanan hampa, misalnya karburator yang menghasilkan campuran bahan bakar/udara untuk pembakaran, pemakaian peralatan yang sudah sesuai dengan aturan international untuk memperoleh energi pengapian yang tepat, distributor, centrifugal dan sistem oscilation vacuum. Sistem konfigurasi kontrol secara mekanis dapat dikatakan sangat rumit, susah dalam pembuatan, dan sulit untuk mendapatkan hasil yang optimal dan efisiens, sehingga mengakibatkan emisi buangnya tidak bisa mengikuti aturan yang telah ditetapkan. Sistem pengontrolan secara elektroni untuk sistem injeksi bahan bakar (Bosch’s DJetronic danL-Jetronic) sudah diperkenalkan untuk menggantikan sistem konvesional karburator atau injeksi mekanis, dan selanjutnya teknologi pengaturan secara elektronic untuk aplikasi mesin dan keseluruhan sistem pada kendaraan berkembang dengan pesat. Penggunaan teknologi pengaturan secara elektronik akan memungkinkan sistem pengontrolan berjalan secara akurat dan tahan lama, serta dapat mengurangi polusi lingkungan karena emisinya lebih baik, hemat bahan bakar, stabilitas dan kontrol sistem juga lebih baik. Perkembangan teknologi elektronika yang sangat pesat, termasuk di dalamnya semi conductor dan komputer sejak tahun 1970 juga berperan dalam meningkatkan tingkat kestabilan kendaraan dan harganya juga sudah semakin terjangkau.

Ada tiga alasan dasar penggunaan kontrol mesin secara elektrik yaitu:

a.    Kontrol emisi yang ramah lingkungan.

Emisi buang adalah hasil dari proses pembakaran antara campuran bahan bakar dan udara. Bensin mengandung HC yang bisa mengeluarkan carbon dan hydrogen. Pembakaran di dalam mesin merupakan reaksi oksidasi antara oksigen dan bensin yang membangkitkan energy panas dalam bentuk majemuk. Untuk pembakaran yang sempurna gas buangnya adalah CO₂ dan H₂O. Namun pembakaran sempura tidak sepenuhnya bisa diwujudkan, karena reaksi pembakaran itu menghasilkan zat N₂, O₂, CO, HC yang tidak terbakar,bermacam NO_X, dsb, begitu juga CO₂ dan H₂O. diantara gas buang zat CO, HC, dan NO_X diketahui dapat membahayakan manusia, dan sudah menjadi standar baku peraturan pembatasan gas, buang disetiap negara. Emisi CO₂ merupakan hal pokok yang harus dikurangi pengeluarannya untuk mencegah terjadinya reaksi pemanasan global.

Negara bagian California pada awal tahun 1960an emisi gas dari kendaraan menjadi isu sosial. Di LA sudah terdapat banyak sekali mobil, dan karena letaknya dikelilingi oleh gunung-gunung, maka asap yang keluar dari kendaraan yang disebut dengan ‘LA smoke’ pada tahun1960an berdampak terhadap kesehatan penduduknya. Karena itulah mereka mendiskusikan pengaturan emsisi buang dan mendirikan EPA (Environmental Protection Agency) dan CAA (Clean Air Act: juga disebut dengan Muskey Act) untuk menentukan pengaturan sistem emisi buang. Dan hasilnya adalah para pembuat mobil di dunia harus bisa membuat mesin yang emisi buangnya dapat dikontrol atau yang ramah terhadap lingkungan. Mesin konvensional yang menggunakan karburator yang sudah lama beredar tidak bisa memenuhi standar emisi yang telah ditentukan, oleh karena itu diperkenalkanlah teknologi kontrol secara elektronik pada mesin.

b.    Hemat bahan bakar

Kilometer per liter digunakan untuk menentukan jarak tempuh kendaraan per liter bahan bakar, dan biasanya dihitung dalam km/jam. Jarak tempuh per liternya akan beragam tergantung dari ukuran kendaraan, bentuk, berat dan pola orang yang membawa kendaraan. Jarak termpuh per liter sudah menjadi isu sejak awal tahun 1970an dikarenakan adanya krisis minyak, yang memerlukan pengurangan konsumsi bahan bakar pada kendaraan. Dan perlu diketahui bahwa akhir-akhir ini pemanasan cahaya global oleh CO₂  meningkat, sehingga kontrol zat CO₂  yang terdapat di dalam gas buang semakin diperketat. Selama bahan bakar jenis HC dipakai pada mesin kendaraan, meskipun pembakarannya sempurna, namun tidak bisa mencegah pembentukan CO₂. oleh karena itulah untuk mengurangi peredaran CO₂, maka mobil mobil mutlak harus yang hemat bahan bakar. Salah satu lembaga yang mengatur pemakaian bahan bakar adalah CAFE (Corporate Average Fuel Economy) yang mengatur rata-rata pemakaian bahan bakar pada kendaraan per tahun yang diproduksi oleh para pembuat kendaraan, kemudian membuat tipe mobil yang hemat bahan bakar.

c.    Performa mesin yang lebih baik

Kecepatan mesinnya meningkat dibanding sebelumnya, karena setiap automaker tetap berusaha melakukan pengembangan untuk meningkatkan performa kendaraannya. Agar tujuan diatas dapat terkaksana, maka dibutuhkan performa mesin yang maksimal dengan kapasitas cc yang tepat, dan pengaturan kontrol untuk campuran udara/bahan bakar dan waktu pengapian secara tepat untuk segala kondisi kerja. Sistem suplai bahan bakar dan sistem kontrol pengapian secara konvensional dengan mekanis tidak bisa akurat, karena itulah penggunaan sistem kontrol secara elektronik tidak dapat dihindari lagi.

2.        Dasar Kontrol Pada EMS

a.    Kontrol Sistem Bahan Bakar

Tujuan dari penggunaan sistem kontrol pada engine adalah untuk menyajikan dan memberikan daya mesin yang optimal melalui sistem kerja yang akurat yang disesuaikan untuk menghasilkan emisi gas buang yang seminimal mungkin, pengunaan bahan bakar yang efisien, menghasilkan pengendaraan yang optimal untuk semua kondisi kerja mesin, meminimalkan penguapan bahan bakar serta menyediakan sistem diagnosis untuk mengevaluasi sistem kerja dan kondisi perangkat perangkat pendukungnya bila terjadi permasalahan-permasalahan yang tidak dikehendaki pada sistem ini.

Pengontrolan Mesin yang dilakukan secara elektronik terdiri atas peralatan­peralatan sensor yang secara terus menerus memantau kondisi kerja mesin. Unit pengontrol elektronik yang dikenal dengan ECU bekerja mengevaluasi data-data masukan dari berbagai sensor yang terpasang pada engine. Dengan membandingkan data pada memorinya dan melakukan perhitungan yang akurat, ECU mengaktifkan perangkat-perangkat penggerak/actuator untuk menghasilkan sistem kerja mesin yang baik. Dalam menginjeksikan bahan bakar, terdapat tiga pekerjaan utama (pengontrolan) yang akan dilakukan oleh ECU (khususnya system yang menggunakan model EMS), yaitu perhitungan kuantitas penginjeksian, pemilihan mode injeksi dan fuel cut. Perhitungan kuantitas dilaksanakan atas pertimbangan kondisi kerja mesin yaitu pada saat bekerja normal atau pada saat starter. Control unit mangkalkulasi waktu pembukaan bagi injector agar sesuai dengan perbandingan stoichiometric dan kebutuhan mesin pada saat itu. Disamping itu juga diperhitungkan mode injeksi yang sedang dilaksanakan. Adapun mode injeksi dapat digolongkan menjadi tiga bagian yaitu mode simultan / serempak, group / kelompok dan sequential. Pada model simultan, bahan bakar dinjeksikan dalam waktu yang bersamaan untuk semua silinder. Mode ini merupakan metode penyemprotan model lama dan untuk model baru diaplikasikan pada saat start dan kondisi temperatur air pendingin masih rendah.

Gambar 2. Simulasi Injeksi Pada Mesin 6 Silinder

b.    Kontrol sistem induksi udara

Pada awalnya, fungsi piranti elektronik yang ada pada system induksi udara adalah hanya sebagai sensor, guna mengetahui jumlah atau volume udara yang masuk ke intake manifold dan temperatur udara agar ECU dapat menghitung massa udara yang dimasukkan ke ruang bakar. Dewasa ini pengontrolan telah dapat dilakukan khususnya pada putaran rendah untuk mengontrol putaran idle dan putaran tinggi guna meningkatkan efisiensi volumetric. Skema system control udara dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3. Skema Sistem Induksi Udara

Sistem aliran udara dimulai dari filter udara untuk menyaring dari kotoran, air metering (berupa sensor temperature dan air flow meter) menuju throttle body, intake manifold dan ke ruang bakar.

Tujuan yang diharapkan dari sistem control engine pada saat engine bekerja pada putaran idle adalah

1)      Untuk menyeimbangkan torsi yang dihasilkan dengan perubahan beban engine, sehingga mesin dapat tetap berputar secara stabil meskipun ada penambahan beban-beban asesories (seperti AC, power steering, beban­beban listrik lain) dan proses terhubungnya transmisi otomatis.

2)      Untuk menyajikan putaran rendah yang halus dengan emisi gas buang dan konsumsi bahan bakar yang rendah mengingat lebih dari 30% pemakaian bahan bakar didalam kota digunakan pada putaran idle.

3)      Untuk mengontrol putaran idle, ECU menggunakan input dari water temperature sensor, throtle position sensor, air conditioner /AC, transmisi otomatis, power steering, sistem pengisian (charging system), putaran mesin dan kecepatan mesin.

Ada dua cara yang digunakan dalam mengontrol putaran idle yaitu dengan pengontrolan udara dan pengontrolan timing. Jumlah udara yang masuk melalui intake manifold oleh katup bypass atau oleh sebuah actuator. Katup bypass menggunakan motor listrik yang dikontrol oleh ECU yang bekerja membuka dan menutup saluran dengan besar pembukaan sesuai dengan nilai yang telah ditetapkan. Dengan katup throttle yang besar, maka pembukaannya akan sangat sensitif terhadap putaran mesin sehingga kecepatan idle susah dikontrol. Untuk itu digunakan katup bypass. Dengan menggunakan umpan balik dari rpm engine, ECU dapat menyetel jumlah udara yang mengalir untuk menambah atau mengurangi putaran idle. Kelemahan pada kontrol udara ini adalah relatif lebih lambat dalam merespon perubahan beban. Untuk mengatasi masalah ini, sistem kontrol udara sering dikombinasikan dengan kontrol sistem pengapian agar diperoleh putaran idle yang sesuai. Kebutuhan bahan bakar pada saat putaran idle ditentukan oleh beban dan putaran mesin. Dalam operasi kerja closed loop sistem nilai atau jumlah bahan bakar ini dioptimalkan oleh lambda close loop control.

c.    Kontrol Sistem Pengapian

Tujuan pengontrolan mesin pada sistem pengapiannya adalah untuk dapat memberikan sistem pengapian yang optimal hingga dapat tercapai torsi yang optimum, emisi gas buang yang rendah, irit bahan bakar dan pengendaraan/pengendalian yang baik serta meminimalkan engine knock. Data dasar untuk timing pengapian (Base Engine Timing Value) yang mengacu pada beban dan putaran mesin tersimpan dalam ROM pada Electronic Control Unit (ECU). Data-data yang diterima ECU diolah untuk mencapai tujuan yang diharapkan seperti diatas. Koreksi terhadap waktu pengapian juga dibutuhkan guna mengakomodir efek temperatur, EGR, start pada saat panas, tekanan udara dan engine knock. Flow chart berikut menggambarkan metode perhitungan untuk ignition timing.

Gambar 4. Flow Chart Pengontrol Saat Pengapian